Материал: Материалы для проходных оптических элементов СО2-лазеров (96

ся только на крупнозернистых абразивах до 5–6-го классов шероховатости. Растрескивание ОЭ с торца, обусловленное дефектами (микротрещинами) такой обработки, наиболее часто наблюдается на практике. Достаточно небольшого перепада температуры, чтобы при лазерном нагреве произошло термическое инициирование развития первичных микротрещин. При прочих равных условиях ЩГК в большей степени склонны к трещинообразованию. Особое внимание следует уделять способам получения заготовок из этих кристаллов и их обработке в размере с использованием бездефектных методов, например обработки нитяной пилой.

Разрушение оптических поверхностей при лазерном воздействии является одним из основных препятствий на пути создания мощных лазеров. Стандартные методы (шлифовка и полировка) изготовления ОЭ приводят к образованию дефектного приповерхностного слоя, трещиноватого и механически напряженного. С целью удаления этого слоя разрабатывают способы глубокой шлифовки – полировки поверхностей, химического и ионного полирования, приводят высокотемпературный отжиг поверхности.

Эксплуатационные методы

Необходимы выработка требований по монтажу ОЭ, оперативный контроль за изменением свойств материала с целью определения состояния предразрушения, профилактическая чистка поверхностей ОЭ, оптимизация режима начального облучения ОЭ.

Особо важна оптимизация режима начального облучения ОЭ. Было обнаружено, что в режиме многократного облучения одного и того же места при допороговых лучевых нагрузках наблюдается эффект повышения порога ЛС поверхности. Он известен как эффект лазерной очистки или закалки поверхности. Повышение порога ЛС поверхности имеет место, когда начальное облучение происходит при лучевой нагрузке существенно ниже пороговой с последовательным повышением лучевой нагрузки до номинальной.

Организационно-технические мероприятия

К числу таких мероприятий следует отнести: установление и выполнение требований к помещениям, где эксплуатируются ОЭ лазеров, по уровню запыленности, влажности и другим фак-

17

торам; проведение консервационной защиты поверхностей ОЭ; а также правильные транспортировка и хранение ОЭ. Несмотря на очевидную необходимость выполнения указанных мероприятий, им не уделяется должного внимания при эксплуатации ОЭ отечественных лазеров. Особенно это относится к условиям консервации, хранения и транспортировки ОЭ. Широко распространены хранение и транспортировка ОЭ в бумаге или ткани (как это обычно делается для заготовок оптических материалов). Следы такой упаковки остаются на поверхности ОЭ и снижают его ресурс. Необходимо применять специальную тару, исключающую контакт оптических поверхностей в пределах светового диаметра с поверхностями тары.

Постоянно проводимые работы по установлению и устранению факторов, снижающих ресурс ОЭ мощных СО2-лазеров, позволили к настоящему времени существенно расширить диапазон мощностей пропускаемого ОЭ излучения. Имеются сообщения об использовании ZnSe уже в технологических лазерах мощностью 20 кВт [5]. Такой прогресс прежде всего обусловлен возможностью получения высококачественного ZnSe, полученного химическим осаждением из газовой фазы (методом CVD), который решает и проблему качества, и проблему размеров кристаллов. Для изготовления ОЭ отечественных СО2-лазеров мощностью 5 кВт и выше в основном применяются ЩГК, в частности монокристаллический KCl. Отметим, что этот материал в последнее время используется для изготовления выходных окон зарубежных СО2-лазеров мощностью 5 и 20 кВт. Поскольку существуют реальные возможности получения ИК-материалов с поглощением менее 10–5 см–1 и более высокой механической прочностью, назвать верхнюю границу их применимости в оптике мощных лазеров довольно сложно. При этом необходимо предъявлять жесткие требования к обработке поверхности ОЭ: она может существенно увеличить поглощение материалом энергии излучения (βпов ≥ 10–4). Относительно области применения линз в устройствах фокусировки лазерного излучения можно сказать, что условно она ограничена мощностью 5 кВт. При более высоких уровнях мощности излучения рекомендуется применять фокусирующие устройства на основе металлических зеркал.

Что касается ресурса ОЭ технологических СО2-лазеров мощностью более 5 кВт, то уровень (2000 ч и более), соответствующий требованиям эксплуатации обычного технологического

18

оборудования, в настоящее время не достигнут ни в зарубежном, ни в отечественном лазеростроении. Для СО2-лазеров номинальной мощностью 5 кВт, в которых используется ОЭ на основе ZnSe, ресурс составляет не менее 1000 ч, на основе KCl – 100 ч и более. При эксплуатации СО2-лазеров мощностью до 1 кВт отмечается необходимость периодической проверки и чистки ОЭ с интервалом 500…1500 ч в зависимости от конкретных условий эксплуатации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Наибольшее значение порогов ЛП при импульсном облучении имеют кристаллы BaF2, NaCl, KPC-5; при непрерывном – KCl, Nacl, GaAs. Пороги ЛП и ЛС реальных оптических материалов наряду с оптическими, механическими и тепловыми характеристиками материала ОЭ также определяются структурными дефектами, поглощающими энергию лазерного излучения, качеством обработки оптических поверхностей и необратимыми изменениями в материале при лазерном воздействии. Повышение порогов ЛП и ЛС реальных оптических материалов достигается технологическими методами. При определении конкретных требований к качеству материала и обработке оптических поверхностей необходимо руководствоваться результатами исследований ЛП и ЛС ОЭ.

Разнообразие факторов, определяющих надежную работу ОЭ в реальных условиях эксплуатации, обуславливает необходимость комплексного подхода к обеспечению требуемого ресурса ОЭ технологических СО2-лазеров. Необходимо применение совокупности различных методов: расчетно-конструкторских, технологических, эксплуатационных и организационно-технических.

Совершенствование технологий получения ИК-прозрачных материалов, способов обработки поверхностей ОЭ, учет факторов, снижающих ресурс ОЭ в реальных условиях эксплуатации, позволили существенно расширить диапазон мощности пропускаемого излучения. В настоящее время основные ИК-прозрач- ные материалы (ZnSe, KCl) применяются, в частности, для изготовления ОЭ зарубежных непрерывных технологических СО2-лазеров мощностью до 5 кВт и выше.

19

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.Голубев В.С., Кокора А.Н., Ульянов В.А. Практические ас-

пекты применения ИК-прозрачных материалов в технологических СО2-лазерах // Препр. НИЦТЛ АН СССР. 1986. № 14.

2.Карлов Н.В., Сисакян Е.В. Оптические материалы для

CO2-лазеров // Изв. АН СССР. Сер. «Физическая». 1980.

Вып. 44. № 8. С. 1631–1638.

3.Ковалев В.И. Исследование механизма пробоя на поверхности материалов ИК-оптики под воздействием излучения импульсного СО2-лазера // ФИАН. 1982. Вып. 136. С. 51–117.

4.Карась В.Р. Перспективные материалы для окон СО2- лазеров // Обзор. информ. Сер. «Монокристаллы». М.: НИИТЭХИМ; ВНИИМ, 1978.

5.Ревинский Р.Е., Рогалин В.Е., Шершель В.А. Свойства и об-

ласти применения полупроводниковых монокристаллов германия // Изв. АН СССР. Сер. «Физическая». 1983. Вып. 47. № 2.

С. 406–409.

6.Шредер Г., Трайбер Х. Техническая оптика: Пер. с нем. М.: Техносфера, 2006.

20